穿越時空：除了引力波，還有信念

　　 2月11日，加州理工學院、麻省理工學院以及“激光干涉引力波天文臺（LIGO）”的研究人員在華盛頓舉行記者會宣布他們探測到引力波的存在。

圖為技術人員在關閉艙門抽制真空前檢查光學部件。

　　13億年前，兩個恒星量級黑洞撞到了一起。

　　大約3倍于太陽質量的物質，在不到1秒的時間內，被轉化為引力波。這在時空中激蕩起的漣漪，以光的速度向外擴散。

　　黑洞合并的交響曲已經奏響，只是它幾乎無聲無息，混雜于所有噪聲中。

　　100年前，物理學家愛因斯坦做出了關于引力波的預言。時空告訴物質如何運動，物質引導時空如何彎曲。當物質在時間的“水面”運動，水波便會蕩開。但他又說，在所有能想得到的情況下，引力波的輻射都可以被忽略。

　　有多小呢？當一列引力波向你走來，你便會經歷一個忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇過程。但是這樣的一個變化幅度，大概為一個氫原子的五百億分之一那么微小。

　　不過人類并未因此放棄探測引力波。實驗物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）用共振法尋找引力波，他自己發明了一種鋁制圓筒作為探測工具。上世紀60年代末，他宣稱引力波撞擊了這一探測器；但他實驗結果從未再現，又無法解釋，因此未獲認同。

　　但不管怎樣，追尋引力波的征程開始了。

　　又是幾年過去，1974年，兩位科學家發現了一對脈沖雙星。這個星體由兩個在近距離軌道里相互纏繞的中子星組成，而且以愛因斯坦預測的速度螺旋式向內靠攏——這是引力波存在的間接證據！神秘的引力波，現出了一個朦朧身影。

　　可是還不夠。20世紀90年代起，在世界各地，一批大型激光干涉引力波探測器開始籌建。它們是人類用來捕捉引力波音符的耳朵。

　　17年前，激光干涉引力波天文臺（LIGO）在美國初步建成。一晃十年，它沒有探測到任何確定的引力波信號。2010年，LIGO開始對探測器進行升級。2015年9月，靈敏度提升了十倍的升級版LIGO整裝再出發。長臂中的激光再次不知疲倦反復奔跑，等待著引力波降臨，那個神奇的干涉圖紋的出現。

　　2015年9月14日，一個與往常并沒有什么分別的夜晚，人類終于捕捉到了13億年前黑洞合并奏出的那首交響曲的音符。他們給它取名為GW150914。愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖，被補上了。

　　當地時間2016年2月11日，LIGO科學合作組織向全世界宣布，人類首次直接探測到了引力波。

　　“我們今天慶祝的發現體現了基礎科學的悖論：它是辛苦的、嚴謹的和緩慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的。”麻省理工學院校長在給全校的信中如此寫道。

　　“存在的東西永遠就在那里。只是我們不知道，它會在什么時間、什么地點以什么形式被發現。即使不是LIGO，歐洲的eLISA衛星探測，法國和意大利等國合作的VIGRO探測器；德國的GEO 600 探測器，中國的阿里和天琴計劃……必然有一個項目，能探測到引力波。” 中國科學技術大學天文系教授蔡一夫教授說。

　　愛因斯坦的預言是對的，然后呢？

　　德國馬克斯·普朗克引力物理研究所博士生明鏡喜歡拿遠古生物奇蝦打比方。這種生物，率先進化出了可以真正“看到”東西的眼睛。“現在，我們看到了第二種光。人類從此有了第六感，就像有了超能力。”

　　引力波天文學的基礎是引力波探測，它是天體源物質運動或質量分布發生變化時產生的，在宇宙中更為普遍。“它可以提供電磁輻射不能攜帶的信息，探測到無法用電磁輻射或不具有電磁輻射的天體，為我們描繪出與（以電磁輻射為觀測基礎的）傳統天文學給出的完全不同的宇宙圖像”。明鏡說。

　　這一發現同樣會讓物理學家振奮。物理學兩座金碧輝煌的大廈——廣義相對論和量子力學，在其各自領域巍巍聳立；但遺憾的是，它們似乎各自獨立，并無關聯。物理學家追尋著一種“大統一”，希望四種基本作用力（強力、弱力、電磁力和引力）能夠被納入一個統一模型。“引力波就能讓它們產生交集，為它們架起橋梁。”蔡一夫說。而明鏡也認為，引力波或可以成為打開大統一理論的鑰匙。

　　當然，LIGO探測到的，只是引力波的一種。美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌介紹，針對不同天體物理與宇宙學起源的引力波信號，探測引力波的主要手段目前共有四種。

　　超大質量黑洞并合時發出的引力波，對應的頻率在百萬分之一到一萬分之一赫茲；科學家用若干精確校準后的毫秒脈沖星在宇宙中排成校準源陣列，利用地面的大型射電望遠鏡來尋找它；而針對十萬分之一到一赫茲的引力波，則可用空間衛星陣列，我國由中山大學領導的“天琴計劃”，正是該類型的引力波探測。

　　而此次地面激光干涉手段探測的引力波，目標是幾十到幾千赫茲的高頻段，其主要信號源就是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統并合過程。

　　還有一種，是在宇宙微波背景輻射中尋找原初引力波。

　　“宇宙的標準年齡是138億歲。這次我們知道了一個很小的區域在10多億年前是什么情況，但是宇宙剛形成的時候發生了什么呢？”蔡一夫說，我們可以更有野心。

　　宇宙暴脹理論認為，在大爆炸發生后的極短一瞬間，宇宙經歷了一場快速膨脹，時空產生了劇烈擾動。這一過程中產生的原初引力波就會在宇宙微波背景輻射（CMB）中留下可探測的印跡。CMB是宇宙的第一縷光，它是宇宙創生大概在38萬年時的樣子。尋找原初引力波，就是要在這一微波背景輻射找到引力波的獨特印記——光的B模式偏振。

　　南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。然而南極緯度太高，能看到的天區也是“猶抱琵琶半遮面”。至于北半球的最佳觀測點，在格陵蘭島和我國西藏阿里地區。中國科學院高能物理研究所正在主導推動阿里CMB探測計劃。該計劃負責人張新民表示，阿里地區大氣透射率高，水汽含量少，而和格陵蘭島相比，它已經具備了完善的臺址條件，“西藏阿里建設望遠鏡，可見天區比格陵蘭要大一倍，我們占了天時地利。”

　　科學家期待著，在海拔5000多米的阿里，去破譯“宇宙如何誕生”的密碼。中科院高能物理研究所副研究員李虹介紹，該項目計劃通過中美合作模式，領導建設北半球首臺CMB望遠鏡，實現北天區首次CMB高靈敏探測。

　　“現在能聽到一個音符，我們將來會一首首地記錄宇宙的交響樂。”蘇萌如此展望。